慢脉冲快速充电方法的研究

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慢脉冲快速充电方法总体设计如图 ! 所示。整 个充电过程分为 >、 在 > 段以恒流慢脉冲充 9 两段， 电， 在 9 段以恒压慢脉冲充电。所谓慢脉冲就是指， 在一个较大电流充电一段时间后面总是紧接着一个 小电流的维持态充电，小电流的维持时间一般在 ! 秒到几十秒， 不是毫秒级或微秒级， 这是与现有技术 放电去极化方法的根本区别所在。
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慢脉冲快速充电方法的研究
王坚， 秦大为， 季宝华， 马以春
$ 江苏盐城师范学院电源技术研究中心， 江苏 盐城 %%&##! ’
摘要：以铅酸电池为例介绍了慢脉冲快速充电方法，结合 () *) +,-- 提出的电池快速充电的基本规 律， 阐述了慢脉冲快速充电的基本原理， 同时从电化学的角度， 分析和探讨了慢脉冲快速充电双稳态 非线性反馈消除电池极化的机制。 通过大量的实验数据分析证实慢脉冲快速充电方法消除和降低电 池极化的有效性以及其原理的正确性， 从而为慢脉冲快速充电方法的科学合理性提供了理论根据和 实验的基础。 关键词： 慢脉冲； 快速充电方法； 蓄电池 中图分类号： .+/!%) ! 文献标识码： 0 文章编号： !##123/%4 $ %##% ’ #4， #&2#!"#2#5
充电的过程中，能通过恒小电流充电有效地消除电 池极化， 尤其是消除浓差极化。要证实这一原理的正 确性， 主要从充放电量， 充电效率、 能量转化率， 充满 率和充电时电池温升等方面与普通恒流、恒压充电 的充放电特性进行比较，从而确证慢脉冲快速充电 方法消除极化的有效性。 充电实验都在同一条件下，充电到同一析气电 压， 转为同一电压值恒压或慢脉冲恒压， 最后到达同 一个终止电流。 放电实验都在同一条件下， 以同一恒 电流放电， 在指定电池的同一开路电压时结束。 $! % ) * 恒流、 恒压与 ) * 慢脉冲恒流、 恒压充放电 为 ) * 慢脉冲恒流、 恒压充电曲线。 为 ) * 慢脉冲恒流、 恒压充电后， 电池放 为 ) * 恒流、 恒压充电曲线 为 ) * 恒流、恒压充电后，电池放电曲 性能测试 图4 图: 电曲线 图; 图 !3 线。
图7 # $%& 7
蓄电池充电特性曲线 8*-+,%0 9,**0+: 34,+%0
图; #$%& ;
蓄电池恒电流充电特性曲线 3-.)* ,.* 3(++0.* 34,+%0 3(+<0 -/ )*-+,%0 =,* *0+:
其压降值遵循欧姆定律，电流减小ห้องสมุดไป่ตู้极化立即减小， 电流停止后立即消失。
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图 ! 慢脉冲快速充电方法示意图 ’’()*+,*$-. /$%(+0 -/ )’-1 2(’)0 /,)* 34,+%0 50*4-6
利用维持一段时间较小电流充电，是消除或降 低电池充电时各种极化十分有效的方法。 - 慢脉冲快速充电基本原理 -$ / 快速充电的极化现象 !?"@ 年美国 A& >& B,)) 在研究蓄电池能够接受 的最大充电电流和可以接受的充电电流曲线时，找 出了蓄电池快速充电过程中析气的原因和规律，并 在实践的基础上提出了蓄电池快速充电的一些基本 规律。 在充电过程中， 用某一速率的电流进行充电， 蓄 电池电压只能充到某一极限值， 当达到这一极限后， 继续充电时，只能导致电解水反应而产生气体和温 升， 不能提高蓄电池的充电速度。 图 7& ! 蓄电池在充电过程中，只持续产生微量 气体的充电特性曲线， 在充电中任一时刻， 蓄电池可 接受的充电电流。 C D C - 0 E , * 式中 C F 为 * D G 时的最大起始电流； C 为任意时刻 * 时蓄电池可接受的充电电流；, 为衰 减率常数， 也称充电接受比。 根据 A& >& B,)) 定律， 分析一下恒电流充电与恒 电流慢脉冲充电的情况。
收稿日 期： %# #%2#5 2% & 作者简 介： 王 坚 $!/ "% J ’ ， 男， 江苏省 人， 高 级工 程师。 9.&-,(0+%X 6*78 (9,: $ !/" % J ’ ; P,H@; -@:9AL @: G9:@@L)
" 低幅值 $ ! J !) 5 E ’ 宽脉冲 $ #) #! - 以下 ’ 放 电去极化。 在众多的快速充电发明中，有的因实用效果不 佳， 有的因设备费用太高等诸多原因， 都未能在市场 上得到普遍推广使用。慢脉冲快速充电方法是一项 国家发明专利技术 V 1 W ， 一项全新的实用技术， 具有十 分广阔的市场前景。 / 慢脉冲快速充电方法 0 1 2 根据电池多孔性电极理论模型 V ! W ， 运用电化学动 V %W 力学原理 ， 经过大量试验研究， 设计出一种双稳态 非线性反馈机制的慢脉冲快速充电方法。这种方法 能确保在充电过程中及时消除或降低电池极化，电 池析气量少， 温升低， 快速， 充电量足， 充电效率高， 电 池寿命不受损害，能够较经济地制造出用于各种用 途的实用高效、 快速充电设备。 !"#
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电 池工业
王
坚 ! 慢脉冲 快速充电方法的研究
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! 电化学极化： 由电极表面电化学反应的迟缓 性造成极化。随着电流变小， 在微秒级内显著降低。 " 浓差极化：由于溶液中离子扩散过程的迟 缓性，造成在一定电流下电极表面与溶液本体浓度 差， 产生极化。这种极化随着电流下降， 在宏观的秒 级 $ 几秒到几十秒 % 上降低或消失。 前面两种极化只需电池的电流下降到足够小或 停止即可在毫秒或微秒内减小或消除。而浓差极化 的消除， 不能单从短时间内 $ 毫秒级或微秒级 % 降低电 流或反向脉冲放电去极化， 要消除浓差极化一般有 & $ ! % 高速旋转电极。$ # % 强制性使电解液 个途径： 对流。 $ & % 较小电流保持一定电场强度条件下， 在足 够长的时间内， 使离子扩散。 对特定的电池， 通过前两 种途径消除浓差极化条件不具备，唯一切实可行的 办法就是在一定长的时间内 $ 秒级以上 % ， 维持一定电 场， 小电流作用下， 靠离子非线性浓差扩散 ’ # ( 达到稳 态消除极化， 同时消除欧姆极化和电化学极化。 恒小电流稳态消除浓差极化机理如图 ) 和图 " 所示：
图M #$%& M
蓄 电池恒电流慢脉冲充电特性曲线
)’-1 2()’0 3-.)*,.* 3(++0.* 34,+%0 3(+<0 -/ )*-+,%0 =,**0+:
其中 *> D . H *5, L N *5$ . I ，由于每个 C! 充电后面都由 C5$ . 充电消除或降低了电池的极化， 使得 *> 远大于 *! ， 如 果在 C E * 平面上表示， 电池充电早已进入出气区， 且 K)7 远远大于 K)! 。 然而， 从 . E C E * 三维图上分析， 在 所有的 C! 充电实际又都处 . 次循环到达出气点之前， 于充电接受区，当第 . 个恒 C! 充电时刚好到达析气 点， 符合 A& >& B,)) 的电池充电析气规律。 恒小电流消除极化机理 由电化学基本原理知道，电池以一定电流充放 电时， 普遍存在着极化， 即偏离平衡状态， 极化的结果 使电池放电时端电压低于电池的电动势，电池充电 时， 电池的端电压高于电池的电动势。 电池的极化由 部分构成： ; 由电池连接各部分的电阻造成， ! 欧姆极化： -$ -
45)",(*"： =:-F,:E9:G H@,I J ,E9I K,FF@LM; , :@? B9GB @NN9E9@:EM N,-F EB,LG9:G AO@L,F9A: ?9FB -HA? OCH-@ 9L@EAPP@:I@I; A: FB@ OL9:E9OH@ AN N,-F EB,LG9:G KM (*+,--; FB@ ,EE9I@:E@ AN -HA? OCH-@ N,-F EB,LG@ 9L@OL@-@:F@I 9: FB9- O,O@L ,:I FB@ P@EB,:9-P AN I@EL@,-9:G K,FF@LM OAH,L9Q,F9A: FBLACGB IACKH@ -F,KH@ -F,F@:A: J H9:@,L N@@IK,ER 9- ,:,HMQ@I A: @H@EFLAEB@P9-FLM) .B@ @NN9E,E9AC-:@-- AN I@EL@,-9:G K,FF@LM OAH,L9Q,F9A: ?9FB -HA? OCH-@ N,-F EB,LG@ 9- F@-F9N9@I ?9FB , HAF AN @SO@L9P@:F I,F, ,:I 9F ?9HH OLAT9I@ FB@ @T9I@:E@ AN L,2 F9A:,H@ ,:I FB@ K,-@- AN OL,EF9E@ NAL FB@ -E9@:F9N9E L,F9A:,H9FM AN -HA? OCH-@ N,-F EB,LG@) 61% 7&,$)8 -HA? OCH-@ ； N,-F EB,LG@U -FAL,G@ K,FF@LM 前言 随着我国电力资源的日趋丰富，电能大规模地 进入许多领域，节约大量宝贵的不可再生的石油资 . 源， 尤其是电动汽车， 电动车等各种电动运输工具成 为绿色环保产品正进入各种消费市场，极大地推动 了智能快速充电技术的发展。为实现蓄电池快速充 电，国内外研究人员提出了不少有关蓄电池快速充 电的技术和方法，仅国内有关蓄电池快速充电方面 已公 开的发 明及实 用新 型专利 就达 八十多 种 V 4) &) 5) ") 3 W ， 与快速充电有关的中文网页就达几千个。 然 而， 所有这些就其充电方法而言， 大致可分为两类： ! 高幅值 $ % J & E ’ 窄脉冲 $ #) ### ! - 以下 ’ 放 电去极化；
恒电流充电 恒电流充电根据 A& >& B,)) 曲线表示为如图 ;J 当电池以一恒电流 C! 充电时， 到达时间 *! J 则电池开 始出气， 如果电池继续以 C! 电流充电， 电池将会析出 较多的气体并且温度不断升高，电池的充电效率几 乎为零， 并且将损坏电池。因此， 以恒电流 C! 充电的 容量为： K)! D C ! *! H 阴影部分面积 I 。 H 7 I 恒电流慢脉冲充电 设定电池以 C! 为恒电流，充电时间为 *5,L ，恒小 电流 C 5$ . ， 充电时间为 *5$. ， 以 C ! 充 *5, L 时间， 接着以 C5$ . 充电 *5$ . 时间， 如此反复循环几次直到电池开始少量 出气 *> 时刻终止， 结合 A& >& B,)) 曲线如图 ;M 所示。 随着每次充电循环J 电池剩余充电量减小， ,逐 . 渐变化为 , . ，C G ! 变化为 C G ，充电可接受区的面积逐 渐减小。 恒流慢脉冲充电总的充电量为 K)7 D.H C!& *5, L N C5$ . *5$ . I
电流 -! 与恒小电流 -# 两个稳态之间， 从 .! / !01 经 过非线性扩散反馈到达恒小电流态 -# ， 0! .， 减小浓 差极化， 电极表面浓度 2 接近电解液本体浓度 23 ， 同 时消除或降低其它两种极化， 多次循环充电， 在*段 将完成 435 以上的充电任务。 见图 " 在慢脉冲充电 6 段， 浓度 2 随时间 , 变化 呈准双稳态非线性反馈机制， 随着恒压脉冲充电的进 行， 每进行一次 .!/ !0 7 .8的循环。 其充电电流逐步 衰减， 图中的循环就进一步缩小， .! /8 !08! .8， .8 ! /9! 09 !.9 ，.9! /9! 09! .9 ，…直到贴近恒小电流 -& 的浓度随时间变化稳态的曲线，电极表面浓度 2 接 近电池本体电解液的浓度 23 ，最终浓差极化降到很 低值， 其它极化同样降到很低值。 ’ 实验 慢脉冲快速充电的主要原理就是在大电流快速